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    FWATD-高級時域測量固件

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2020-08-10 17:35:00

    ADQ的固件選項FWATD(高級時域)是為極端動態范圍而設計的,在高動態范圍內,很少出現的弱信號可以和強信號(指高幅度的情況下)共存。我們提供了幾個步驟的噪聲抑制,并可以結合起來達到所需的性能。固件選件FWATD包括高級時域測量并受益于極高動態范圍,典型應用包括:

    科學儀器

    飛行時間

    質譜

    電子順磁共振

    粒子物理實驗

    測試與測量

    分布式光纖傳感



    方框圖


    為了獲得極高的動態范圍,需要考慮幾個參數。固件包含四個級別的噪聲抑制, 基線穩定,線性濾波,非線性閾值和波形平均,并且提供了三種專門針對系統噪聲(模式噪聲)的方法。FWATD可以看作是具有上述噪聲抑制方法的工具箱。由此,應用程序可以選擇合適的工具以獲得所需的動態范圍。

    在多通道ADQ中,每個通道有一個FWATD單元。它們以相同的波形大小和累積次數設置同步運行。但是,每個通道的濾波器和閾值參數是單獨設置的。ADQ-FWATD的框圖如圖1所示。

    圖片1.png

    圖1

    a. 為了充分利用ADC的范圍,可以在信號中加入模擬直流偏移。這樣可以有效地將單極脈沖的動態范圍擴大一倍。

    b. 數字基線穩定器(DBS)是Teledyne SP Devices在脈沖數據系統中用于基線穩定的專有算法。DBS輸出是一個受控的基線電平,設置在用戶定義的22位精度值上。

    c. 通用數據路徑FIR濾波器,用于限制帶寬和降低寬帶噪聲。

    d. 用(c)作為抗混疊濾波器,跳過樣本進行數據縮減或完全抽取。

    e. 高級閾值操作是一種非線性噪聲抑制,可以區分低于用戶定義水平的樣本。即使脈沖幅度與噪聲具有相同的數量級,濾波器也可以對具有一定形狀的樣本序列進行復雜的提升。

    f. 波形平均會積累大量的波形,通過重復測量進行隨機噪聲抑制。請注意,累加器將波形相加,劃分則由用戶在PC機上執行。

    g. 無縫流式傳輸到主機,幾乎提供了死區時間的免費采集

    h. 為了實現更長的波形RL和更長的累積NA,可以在ADQAPI中進行第二部分的累積。分區算法決定當前用例是否需要在ADQAPI中進行積累。

    i. 如果需要,用戶可以在用戶應用程序中使用更長的格式,如gint64,繼續進行平均化。

    j. 通過USB3.0或PCIe將數據傳輸到主機PC。



    觸發波形

    波形是觸發事件后的一組連續數據。在本文中,該數據集也稱為記錄。下面是用于觸發波形的可用觸發源。

    內部觸發源—使用內部參考時鐘在數字轉換器內部產生觸發信號。默認情況下,內部觸發器是自由運行的。內部觸發器可以作為主外部設備在連接器TRIG上輸出。

    外部觸發源—通過連接到前面板上連接器TRIG的外部信號觸發設備。

    軟件觸發源—軟件觸發功能在操作過程中實際用途有限。它在調試和系統設置過程中非常有用。

    電平觸發—輸入信號的幅度決定了系統何時觸發。因此,觸發是由數據驅動的。

    采用波形平均的系統最好是重復測量。觸發既可以是從外部設備開始采集的外部觸發,也可以是內部觸發,其中ADQ通過連接器TRIG控制外部設備。在一些應用中,某些脈沖形狀是值得關注的。數據驅動的電平觸發可用于在重復脈沖上多次觸發。

    波形始終具有固定(用戶定義)的長度RL,但用戶可以自由選擇波形的開始時間。相對于觸發事件,波形的開始時間可以來回移動。設置預觸發采樣數的參數適用于關注觸發事件之前的樣本的應用。對于觸發過早的應用,可以使用另一個參數來控制觸發延遲。預觸發和觸發延遲如圖2所示。請注意,預觸發和觸發延遲均不會影響記錄長度。

     圖片2.png

    圖2 預觸發和觸發延遲的說明。用戶可以自由選擇波形的起始采樣。

    兩條記錄之間的時間稱為死區時間。死區時間受重新設置時間(從最后一個波形采樣到系統準備接受新的觸發的時間段)的限制,同時也受數據傳輸到主機的速度的限制。死區時間和重啟時間如圖3所示。最小死區時間的數量級為幾十納秒。’

     圖片3.png

    圖3 觸發期、重啟時間和死機時間的說明。 

    在圖3中,還顯示了觸發周期。如果觸發周期<RL,記錄過程中發生的觸發將被忽略。因此,占空比可以定義為占空比=記錄長度/觸發周期。占空比受固定的重啟時間限制。



    波形平均


    減少隨機噪聲和提高靈敏度的一個常用方法是重復多次測量,研究平均信號。這種方法可以減少非相關的噪聲,增加相關的有用信號。波形平均的方法會產生大量的測量數據。為了減少主機的負載,FWATD在板載FPGA中加入了對實時波形累加的支持。

    波形平均(WFA)是一個將波形相加的累加器。每個波形中的第一個樣本與所有其他波形的第一個樣本相加。根據定義,平均函數應該包含一個帶有波形數NA的除法。然而,這種劃分不適用于FPGA實現,因此留給用戶在軟件中執行。WFA的概念如圖4所示。

    圖片4.png

    圖4 波形累積的圖解。



    抑制系統噪聲


    當積累大量的波形時,任何系統性的信號都會受到影響,顯得更加清晰。不僅對想要的信號產生影響,對相關噪聲也是如此。這種相關噪聲也稱為模式噪聲或系統噪聲。模式噪聲的主要來源是ADC內核的交織。其他模式噪聲的來源是時鐘,與觸發頻率相關。通常情況下,ADC的內置噪聲抑制就足夠了,但由于WFA的存在,其余的變化可能仍然是一個問題(因為它們的增益與所需信號的增益相同)。從而降低微弱信號的可見度,因此與模式噪聲在同一范圍內的信號在累積后也會被隱藏起來。



    處理系統噪聲的三種方法


    我們提供了三種處理系統噪聲的方法,其中一種是DBS。另外兩種方法是利用波形的觸發來隨機化系統噪聲。雖然噪聲仍然是系統性的,但它會因波形不同而不同,因此積累一些波形將隨機化和抑制噪聲,如圖5,顯示了理想的情況,其中觸發位置平均分布在四個ADC內核上.這三種方法具有不同的質量,因此選擇的方法取決于應用。表1總結了下面描述的方法的屬性。

    圖片8.png

    圖5 模式噪聲與所需信號的增益相同。重復模式是四個樣本長

    表1:模式噪聲抑制方法在不同條件下效果最佳。選擇的方法取決于當前應用程序的活動性高還是低,以及是否包含很多或很少的累積量 低活度意味著此處隔離的基線在一段時間占主導地位。

    圖片5.png

     

    DBS —DBS通過從數據中估計偏移量并減去每個內核估計偏移量來消除模式噪聲。圖6顯示了帶有和不帶有DBS的ADQ7的背景噪聲。這種方法精度高,適用于低活度系統,也就是有明確基線的系統.因此,它的局限性在于需要一個基線才能正確估計偏移量。高活動輸入信號(例如正弦波)會產生較差的結果。DBS的一個優點是它可以處理一條記錄。如圖7所示,不需要大量的累加即可獲得良好的結果。

     

    圖片6.png

    圖6 來自ADQ7的背景噪聲,有(藍色)和沒有(黑色)DBS。


    圖片7.png

    圖7 DBS對單個波形的模式噪聲進行抑制,不需要積累就能獲得良好的效果。

    自由運行觸發器— 擁有自由運行的觸發器意味著它不與ADQ的采樣時鐘鎖相,內部觸發源默認為自由運行。使用自由運行觸發來抑制模式噪聲通常有利于大量累積。即使抑制水平不能保證(因為觸發頻率是不確定的),實現良好降噪的概率也會隨著累積次數的增加而增加,NA。自由運行觸發器的一個缺點是未鎖定的觸發器可能會涂抹短脈沖。

    觸發模塊解決方案(附加的硬件選項)—觸發模塊是外部模式噪聲抑制觸發源,可以連接到TRIG(物理連接器)。觸發頻率確定為與ADQ的任何序列或時鐘都不相關的數字。結果,通過累積抑制了圖案噪聲。與自由運行的觸發相反,觸發頻率不是任意的而是固定的,該值使模式噪聲隨機化,從而通過累積將其抑制。觸發模塊是一個外部模式噪聲抑制觸發源,可以連接到TRIG(物理連接器)。觸發頻率被確定為一個與ADQ的任何序列或時鐘無關的數字。因此,模式噪聲是通過累積來抑制的。與自由運行的觸發器相反,觸發頻率不是任意的而是固定的一個隨機化模式噪聲的值,從而通過累積來抑制它。

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